盤點(diǎn)：2013年光通信領(lǐng)域科學(xué)前沿技術(shù)

伴隨著人們對(duì)高速傳輸需求的上升，2013年的科學(xué)界也在上演一場“速度比拼”，科學(xué)家們通過開發(fā)新的傳輸材質(zhì)、新的工藝結(jié)構(gòu)、新的編碼技術(shù)等多種方式，實(shí)現(xiàn)更高效的通信。另外，在光集成、通信安全等領(lǐng)域也獲得了不同程度的突破。

NEC 實(shí)現(xiàn)1Tb信號(hào)的5400公里長距離實(shí)時(shí)通信

NEC公司 2013年1月宣布，其通過實(shí)時(shí)處理成功使用每秒1Tbit(1T=1024G)的大容量信號(hào)進(jìn)行了5400公里的長距離通信。此次是將100 Gbit的副載波信號(hào)以高密度方式疊加，生成1Tbit的"超信道信號(hào)"，并通過光纜傳輸了5400公里的距離。NEC已通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，可對(duì)該疊加信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并毫無錯(cuò)誤地完成通信。5400公里大約相當(dāng)于東京和新加坡或者紐約和倫敦之間的距離。如果將新技術(shù)應(yīng)用于橫跨大陸間的海底光纜上，那么將可以更加輕松地將大城市高速連接起來。

該級(jí)別的大容量長距離通信實(shí)驗(yàn)的成功在全球尚屬首次。隨著大容量視頻發(fā)送和云計(jì)算的普及，采用海底光纜的國際通信網(wǎng)絡(luò)需求激增。NEC在這個(gè)領(lǐng)域擁有全球最高的市場份額。由于新技術(shù)面向?qū)嵱没~進(jìn)了一大步，因此NEC將強(qiáng)化針對(duì)通信運(yùn)營商等的業(yè)務(wù)活動(dòng)。計(jì)劃今后利用新鋪設(shè)的海底光纜使該其通信服務(wù)被通信網(wǎng)絡(luò)采用。

NEC的此次實(shí)驗(yàn)中采用了精密調(diào)整信號(hào)波形(光譜形狀)以抑制因傳輸而產(chǎn)生的信號(hào)劣化，以及通過數(shù)字電路補(bǔ)償失真的方法，確立了在數(shù)千公里的長距離通信中也不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的技術(shù)。與目前主流的采用100 Gbit信號(hào)的光纜通信網(wǎng)絡(luò)相比，可將頻率利用效率(通信容量)提高約43%。

同在1月份，NEC美國全資子公司與康寧聯(lián)合宣布創(chuàng)造了光纖傳輸新記錄。NEC在美國普林斯頓的研究人員和康寧在蘇利文工業(yè)園研究中心的工程師聯(lián)合成功實(shí)現(xiàn)了基于多芯光纖MCF的1.05Pbps(1pbps=1000tbps)的超高速傳輸，其頻譜利用效率109比特每秒每赫茲頻率。傳輸采用了空分復(fù)用(SDM)方案和光多輸入多輸出(MIMO)的信號(hào)處理技術(shù)。

這些新技術(shù)為新的超高速傳輸提供了新的可能，同時(shí)也為運(yùn)營商快速增加網(wǎng)絡(luò)容量提供了經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。

英研制出以99.7%光速傳輸數(shù)據(jù)的新型光纖

英國南安普敦大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)讓光纖傳輸速度真正接近了宇宙的速度極限——光速。弗朗西斯科˙伯樂蒂(Francesco Poletti)和他的團(tuán)隊(duì)制造的光纖能夠以99.7%的光速傳輸數(shù)據(jù)，換成數(shù)據(jù)量73.7Tb/s，即大約10TB/s，這個(gè)速度比現(xiàn)在常用的40Gb級(jí)的光纖電纜要快一千多倍，并且大大降低了傳輸時(shí)延。

光在真空中的傳播速度為299,792,458米每秒，而在其余介質(zhì)中的光速會(huì)大為降低。在普通光纖(材質(zhì)為石英玻璃)中，光的傳播速度將降低31%。由于光在空氣中的傳播速度要快于在玻璃中的傳播速度，研究團(tuán)隊(duì)也因此萌生了相當(dāng)有創(chuàng)意的想法——他們要制造一種空心光纖，空氣將成為這種光纖的主要組成材質(zhì)。

但他們遇到的最大問題便是這樣制造出來的光纖難以彎曲。對(duì)于普通光纖來說，玻璃/塑料材質(zhì)擁有一定的折射率，光線因?yàn)槿瓷淇梢栽诠饫w內(nèi)曲折前進(jìn)。但是，當(dāng)光纖內(nèi)部存在中空時(shí)，一旦光纖發(fā)生彎曲，信號(hào)的傳輸就會(huì)被干擾，光纖的帶寬就會(huì)被限制。

對(duì)于這個(gè)歷史性難題，南安普敦大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)從根本上升級(jí)了中空光纖的設(shè)計(jì)，在光纖內(nèi)部空氣與玻璃接觸面上附上一層超薄的特殊物質(zhì)，形成核心-包覆邊界，使光無法向外折射。他們新設(shè)計(jì)的光纖每公里的損耗為3.5dB，而帶寬高達(dá)160nm。當(dāng)然，最關(guān)鍵的是，光在這種光纖內(nèi)的傳播速度大幅提升，擺脫了傳統(tǒng)光纖因?yàn)椴馁|(zhì)產(chǎn)生的31%速度上限衰減。研究團(tuán)隊(duì)通過波分復(fù)用技術(shù)(WDM)在310米長的中空光纖中發(fā)送了37個(gè)40Gb的信號(hào)，實(shí)驗(yàn)室結(jié)果顯示傳輸速度高達(dá)每秒73.7Tb，創(chuàng)下了人類有史以來在實(shí)驗(yàn)室中最快的傳輸記錄之一。“之前的光纖要不就是用高損耗換取帶寬，要不就是犧牲帶寬減小損耗，而我們做到了兩全其美。”伯樂蒂說道。

在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，每公里3.5dB的損耗是可以接受的，但這種“空氣光纖”在短時(shí)間內(nèi)取代傳統(tǒng)光纖的可能性還是比較小的(畢竟短期內(nèi)服務(wù)商也不可能提供如此高的帶寬)。但對(duì)于大型數(shù)據(jù)中心和超級(jí)計(jì)算機(jī)互聯(lián)而言，使用這種光纖倒是能顯著地降低延遲，提升速度。

耳機(jī)降噪原理可用于光纜通信領(lǐng)域 提高網(wǎng)速

美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)現(xiàn)，耳機(jī)噪音消除的基本原理能夠提高互聯(lián)網(wǎng)的連接速度和可靠性，借助該技術(shù)現(xiàn)已于1.28萬公里長的光纖電纜線路上，實(shí)現(xiàn)了以每秒400GB的速度發(fā)送數(shù)字信號(hào)。

一直以來，光信號(hào)在長途光纜中傳輸所帶來的噪音就一直困擾著通信業(yè)。但現(xiàn)在研究人員從降噪耳機(jī)那里獲得了靈感——它能夠接收外界的噪音，然后通過耳機(jī)內(nèi)部的電子電路產(chǎn)生與噪音音波相位相反的信號(hào)，以此來消除噪音。研究人員認(rèn)為，這種原理同樣能夠應(yīng)用于光纜通信領(lǐng)域，即將耳機(jī)主動(dòng)式降噪技術(shù)應(yīng)用于提高光纖連接的速度和可靠性，所不同之處只在于用光信號(hào)取代電信號(hào)。

研究團(tuán)隊(duì)此次運(yùn)用了相位共軛(phase conjugation)技術(shù)，這也是一種很有前景的抑制”非線性克爾(Kerr)效應(yīng)“的手段——正是后者限制了光纖通信中的傳輸速率和容量，并成為當(dāng)前光纖通信系統(tǒng)的主要障礙。

而相位共軛簡單說來，就是將兩個(gè)電波相互重疊，以取得抵消噪聲，消除非線性失真的效果。研究人員的具體做法則是在光纖電纜上傳輸原始數(shù)據(jù)的同時(shí)，發(fā)送兩個(gè)光束進(jìn)行噪聲消除——光束具有收集并消除噪聲的性質(zhì)。

此次的技術(shù)或?qū)⒊蔀橥ㄐ艠I(yè)的福音。目前，全球運(yùn)營商建設(shè)的傳輸網(wǎng)，主要以單波10Gbps以及40Gbps傳輸網(wǎng)為主。而隨著網(wǎng)絡(luò)流量的快速增加，100Gbps系統(tǒng)組建傳輸網(wǎng)已經(jīng)成為必然--但該種組網(wǎng)的興建遇到相當(dāng)多的問題，其中噪音就是最棘手的之一，單波400Gbps系統(tǒng)的情況更為嚴(yán)重。

相比之下，劉響的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已經(jīng)在一條1.28萬公里長的光纖電纜線路上，實(shí)現(xiàn)了以每秒400GB的速度發(fā)送數(shù)字信號(hào)，而目前谷歌光纖向用戶提供的互聯(lián)網(wǎng)速度是每秒1GB。如果該技術(shù)得到應(yīng)用推廣，400Gbps的系統(tǒng)將可以實(shí)現(xiàn)單纖24Tbps的大容量遠(yuǎn)距離傳輸，從而大大緩解目前運(yùn)營商所面臨的流量問題。

有外媒評(píng)論稱此次技術(shù)將極大優(yōu)化和提升當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)的性能。不過劉所在研究團(tuán)隊(duì)尚未確定這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用的時(shí)間。

扭曲光束可提高光纖信息承載能力

美國的一個(gè)科研小組的研究成果顯示，通過不同形狀的扭曲光束來編碼信息，可以提高互聯(lián)網(wǎng)”信息高速公路“的承載能力，從而有效地緩解網(wǎng)絡(luò)擁堵。

從前幾年開始，就有多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在嘗試通過光束的形狀來為信息編碼，以此緩解網(wǎng)絡(luò)交通堵塞，該技術(shù)利用到了被稱為軌道角動(dòng)量的光屬性。目前，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)是利用直向傳播的光束來傳送的，但特定的濾波器可以使光束在行進(jìn)過程中發(fā)生不同程度的扭曲。不過，利用這種效應(yīng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)效果不甚理想：不同形狀的光束在前進(jìn)不到1米的距離后，往往就相互混雜了。

但現(xiàn)在，美國波士頓大學(xué)和南加州大學(xué)的研究人員合作，找到了一種方法使不同形狀的光束分開行進(jìn)，傳送距離達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的1.1公里。實(shí)驗(yàn)中，研究人員設(shè)計(jì)并建造了一條1.1公里長的玻璃電纜，其橫截面有不同的折射率(用于衡量光線在特定介質(zhì)中行進(jìn)速度有多快)。然后，他們沿著電纜分別發(fā)送了曲折的和直向的光束。

該研究小組發(fā)現(xiàn)，光輸出和輸入能夠相匹配，表明各種形狀的光束并沒有出現(xiàn)混雜。不同的折射率明顯只影響某一種形狀的光束，因此，這些不同形狀的光束在電纜中是以不同的速度前進(jìn)的。”這意味著我們可以讓它們保持分離。“研究小組負(fù)責(zé)人、波士頓大學(xué)電氣工程師賽達(dá)斯˙拉瑪錢德蘭說。

研究人員利用沿順時(shí)針和逆時(shí)針方向呈不同扭曲度的光束進(jìn)行了多次測(cè)試，發(fā)現(xiàn)大約有10種不同形狀的光束可被用來傳遞信息。這個(gè)結(jié)果令人振奮，因?yàn)槊恳粋€(gè)形狀都可能預(yù)示著”信息高速公路“上的交通有望達(dá)到一個(gè)全新的水平。在此基礎(chǔ)之上，再將數(shù)據(jù)流按照不同顏色進(jìn)一步劃分為狹窄的”車道“，從而能使流量最大化。

不過，要將實(shí)驗(yàn)室成果應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)世界還需要時(shí)間，部分原因在于目前的互聯(lián)網(wǎng)電纜只輸送直向光束。拉馬錢德蘭說，一個(gè)更直接的目標(biāo)，可能是在臉譜等一些大型網(wǎng)絡(luò)公司所使用的服務(wù)器群的服務(wù)器之間，安裝能夠短距離傳送扭曲光束的電纜。

解碼光纖數(shù)據(jù)傳輸新模式 多元傳輸引爆通訊革命

研究者構(gòu)建了一種能夠以全新方式編碼數(shù)據(jù)的光纖數(shù)據(jù)傳輸新模式，通過這種方式，光波能夠螺旋傳播。與此同時(shí)，通過搭配使用更常規(guī)的填充額外數(shù)據(jù)的傳輸模式，新模式的數(shù)據(jù)傳輸率將獲得極大提高。

美國哥倫比亞大學(xué)電機(jī)工程師Keren Bergman說：“螺旋狀傳輸令人印象深刻，使我感到興奮不已。”科學(xué)家于上世紀(jì)90年代證明：如果將不同的數(shù)據(jù)流編譯成不同的顏色或者波長，那么在同一根光纖上同時(shí)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)是可行的。Bergman注意到，在此之后，電信公司極大地提高了數(shù)據(jù)帶寬。

現(xiàn)階段的研究中，Ramachandran團(tuán)隊(duì)與Willner展開合作，證明了科技可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳播。他們通過特殊纖維實(shí)現(xiàn)了以每秒1.6萬億比特的速度，在10種不同的波長中以及兩種OAM編譯模式下，傳輸數(shù)據(jù)超過1000米。雖然這個(gè)傳輸距離很短，未來需要極大的延長，但對(duì)于數(shù)據(jù)中心以及科學(xué)機(jī)構(gòu)等其他高端用戶群體來說，這樣的傳輸距離足夠了。紐約羅切斯特大學(xué)物理學(xué)家Robert Boyd說：“這個(gè)研究成果令人印象深刻，我已經(jīng)可以預(yù)見到一個(gè)廣闊的商業(yè)市場。”

Ramachandran和Willner認(rèn)識(shí)到，打破數(shù)據(jù)傳輸速度的瓶頸，OAM模式并非唯一的解決方法。近年來，光學(xué)研究者已研制出最高可支持12種編譯模式的光纖。但是，這種傳輸方式通常需要在數(shù)據(jù)接收終端安置大量的電腦來解讀信號(hào)。

另一種方法則是“多核”光纖，即光纖內(nèi)包含多個(gè)“核心”，不同的編譯模式通過不同的“核心”傳輸。去年，美國研究者利用這種方法成功地將傳輸速度提高到每秒1千萬億比特(大約是目前OAM編譯模式傳輸速度的1000倍)。

Willner表示，這些方法并不相互排斥，在他的設(shè)想里，未來的“多核”光纖最好也能夠支持多種OAM編譯模式。此外，現(xiàn)有的傳輸手段也將能在新光纖內(nèi)搭配使用。如果這個(gè)設(shè)想得以實(shí)現(xiàn)的話，那時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸速度與現(xiàn)有的速度相比，就如同光纖上網(wǎng)與撥號(hào)上網(wǎng)的速度差距一樣大。

相位共軛光技術(shù)突破長距離傳輸容量極限

隨著高速傳輸技術(shù)在現(xiàn)網(wǎng)中的應(yīng)用，長距離傳輸技術(shù)的發(fā)展也備受關(guān)注，尤其是目前100G技術(shù)的商用后，400G、1T的傳輸速率已經(jīng)被提上議程，基于現(xiàn)有的技術(shù)發(fā)展路線，長途傳輸容量的極限也遭受挑戰(zhàn)，要確保長距離傳輸?shù)墓庑盘?hào)強(qiáng)度，同時(shí)擴(kuò)展傳輸容量已經(jīng)成為長距離光通信領(lǐng)域的重要課題。

貝爾實(shí)驗(yàn)室目前已經(jīng)開發(fā)出了能夠打破這一局限的突破性技術(shù)，通過“相位共軛光”，大幅降低因光纖中非線性光學(xué)效應(yīng)而導(dǎo)致的信號(hào)劣化。據(jù)了解，貝爾實(shí)驗(yàn)室將這項(xiàng)技術(shù)用于復(fù)用傳輸8個(gè)不同波長光信號(hào)的長距離光通信系統(tǒng)后確認(rèn)，一根1.28萬公里長的光纖具備406.6Gbit/秒的傳輸容量。而這一數(shù)字與目前實(shí)用的最新傳輸容量相同，值得一提的是，相比之下，采用新技術(shù)后光信號(hào)質(zhì)量更高，或只需更小的光信號(hào)強(qiáng)度。

相位共軛光是指從光源處發(fā)射出的光線經(jīng)相位共軛反射鏡后按照原路徑反射回光源處的光。相位共軛光的振幅和頻率與原光線相同，僅光線的傳播方向相反。與傳統(tǒng)的反射光相比，相位共軛光不僅消除了信號(hào)失真，同時(shí)波長分散、相位噪聲等都會(huì)因此而消失。傳統(tǒng)的光纖傳輸中，光信號(hào)通過一系列的全反射進(jìn)行光傳輸，在傳輸過程中的光信號(hào)衰減、非線性效應(yīng)等問題都存在，而通過相位共軛光的傳輸，則可以有效消除一系列的非線性效應(yīng)。

據(jù)了解，相位共軛光的技術(shù)研究已經(jīng)持續(xù)較長時(shí)間，同時(shí)在光通信領(lǐng)域已有研究，然而由于傳輸過程中需要特殊的中繼器，因而實(shí)用化較低。貝爾實(shí)驗(yàn)室所提出的這一創(chuàng)新技術(shù)也是采用了相位共軛光，從而實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有光纖也可也可降低因非線性光學(xué)效應(yīng)而導(dǎo)致的信號(hào)失真。

此次貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的通信系統(tǒng)則無需中繼器。該系統(tǒng)在傳輸光信號(hào)時(shí)，可以同時(shí)傳輸普通的光信號(hào)A及其相位共軛光的光信號(hào)A+。雖然任何一個(gè)光信號(hào)都會(huì)在傳輸路徑上出現(xiàn)劣化，但A+所承受的信號(hào)失真的主要成分，其編碼與A信號(hào)失真的主要成分相反。也就是說，A與A+合成后，信號(hào)失真的大部分會(huì)相互抵消。

新技術(shù)使得光纜數(shù)據(jù)傳輸速率提高10倍

自從上世紀(jì)七十年代光纜問世以來，新技術(shù)革新使得平均每過4 年其傳輸速度就會(huì)提升10 倍，但近幾年我們似乎遇到了瓶頸。

世界各地的科學(xué)家都在努力穿過這段狹小的瓶頸，位于洛桑的瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院率先完成了這項(xiàng)任務(wù)。他們發(fā)表在《 Nature Communications 》上的論文揭示了一種將光纜數(shù)據(jù)傳輸速率提高 10 倍的方法。

一直以來研究者們都明白縮小信號(hào)間距是一條正確的路線，但過小的距離總會(huì)產(chǎn)生信號(hào)干涉，沒人能解決這個(gè)問題。而通過用同一頻率發(fā)射脈沖信號(hào)，科學(xué)家們得以避免相近信號(hào)的干涉，獲得 99%數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的理想脈沖信號(hào)。

該論文合著者之一的 Camille Brès 表示“為了能把它們搭配在一起，這種脈沖的形狀比普通脈沖更尖銳，你可以想想一下拼圖的每一片相互銜接的樣子。當(dāng)然，這種信號(hào)仍會(huì)存在干涉，但它們都不在我們讀取數(shù)據(jù)的部分。”

研究者們表示該技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，造價(jià)也不昂貴，完全可以投入商業(yè)普及，他們期望光纜工業(yè)會(huì)采取此技術(shù)。

IBM光通信鏈路數(shù)據(jù)傳輸能效創(chuàng)新記錄

運(yùn)行速度是現(xiàn)有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一百倍的超快超級(jí)計(jì)算機(jī)距離應(yīng)用又近了一步。美國IBM公司在美國國防先期計(jì)劃研究局的支持下，再一次降低大量數(shù)據(jù)傳輸所用功耗。

研究人員在3月17～21日在美國加利福尼亞州阿納海姆市召開的光纖通信會(huì)議和博覽會(huì)/國家光纖工程師會(huì)議(OFC/NFOEC)上對(duì)此光通信鏈路進(jìn)行詳細(xì)描述，該鏈路較之前能效記錄提升了一倍。

研究人員預(yù)測(cè)未來的計(jì)算機(jī)將達(dá)到億億次級(jí)規(guī)模，可用于全球氣候模擬、細(xì)胞整體的分子級(jí)仿真，納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等更多功能。IBM公司位于紐約州約克敦海茨的TJ華盛頓研究中心的研究人員喬納森說：“計(jì)算機(jī)預(yù)計(jì)將在2020年左右達(dá)到億億次級(jí)，但在此之前還需進(jìn)行大量的研究。”為了實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，研究人員必須找到計(jì)算機(jī)在較低功耗下可快速傳輸大量數(shù)據(jù)的方法。

通過結(jié)合IBM公司32納米絕緣體上硅(SOI)CMOS工藝制成的集成電路，以及美國住友電氣創(chuàng)新設(shè)備公司(以前的商埃姆科公司)制造的先進(jìn)垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)和光電探測(cè)器，喬納森和同事制造出新的高能效光通信鏈路，每秒傳輸速度達(dá)到25Gbit，總功耗只有24mW，約合每比特耗能1pJ。喬納森說：“與之前的記錄相比，數(shù)據(jù)傳輸速度提高了66%，功耗降低了一半。我們將繼續(xù)提高光通信的傳輸速度和功耗效率。人們總希望能以更低的功耗傳輸更多的數(shù)據(jù)，這也正是我們努力的方向。”

新技術(shù)為實(shí)現(xiàn)下一代單芯片光互連打開大門

可將光信號(hào)變成沿金屬表面行進(jìn)的波

美國科學(xué)家制造出一種新的納米尺度的連接設(shè)備，能將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變成沿金屬表面行進(jìn)的波。更為重要的是，新設(shè)備還能識(shí)別偏振光的偏振方向，并據(jù)此朝不同的方向發(fā)送信號(hào)。

科學(xué)家們表示，最新研究提供了一種新的方式，讓人們能在亞波長尺度下精確地操控光，而不會(huì)破壞可能攜帶有數(shù)據(jù)的信號(hào)，這為有效地從光子設(shè)備傳遞信息給電子設(shè)備從而實(shí)現(xiàn)下一代單芯片光子互聯(lián)打開了大門。

新連接設(shè)備由一層薄薄的金組成，其上布滿小孔，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)的天才之處正在于這些切口形成的像鯡魚魚骨(箭尾形)一樣的圖案。

新結(jié)構(gòu)非常微小，每個(gè)圖案單元比可見光的波長還要小，因此，科學(xué)家們認(rèn)為，新結(jié)構(gòu)應(yīng)該很容易同平面光學(xué)等新奇技術(shù)整合。然而，卡帕索表示，新設(shè)備最有可能用于未來的高速信息網(wǎng)絡(luò)內(nèi)--納米尺度的電子設(shè)備(目前已經(jīng)出現(xiàn))、光子設(shè)備和等離子體有望集成在一塊微芯片上，從而實(shí)現(xiàn)下一代單芯片光子互聯(lián)。

南開聯(lián)手哈佛：為光電子集成與互聯(lián)技術(shù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)

在手機(jī)、電腦、網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代社會(huì)信息化技術(shù)飛速發(fā)展的今天，以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的電子信息技術(shù)引發(fā)了一場改變?nèi)祟惿詈凸ぷ鞯男畔⒒锩?，其特點(diǎn)是依靠集成電子器件提供更高的信息處理速度、存儲(chǔ)密度和片上可集成度等能力，但受到納米尺寸的瓶頸限制，集成電子器件已開始受到制約。與微電子技術(shù)發(fā)展并行的另一門高新技術(shù)-光電子技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)集成光子回路、互聯(lián)光路、光計(jì)算等功能方面顯現(xiàn)出巨大的潛力和優(yōu)勢(shì)，有可能是取代“集成電路”的新一代信息技術(shù)的重要支柱，該技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)是如何在納米尺寸高度集成的芯片上實(shí)現(xiàn)人們像操縱電子那樣操控光子。

表面等離激元(SPPs)是在金屬表面區(qū)域的一種自由電子和光子相互作用的形成的電磁模，經(jīng)常被稱為“能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)線傳輸光子”的信息載體，它在發(fā)展新一代光電子集成技術(shù)中發(fā)揮重要作用，但怎樣在納米尺寸的芯片上實(shí)現(xiàn)SPPs的“傳輸控制”是該領(lǐng)域的一個(gè)國際研究熱點(diǎn)。

4月19日，由南開大學(xué)信息技術(shù)科學(xué)學(xué)院教授、長江學(xué)者袁小聰帶領(lǐng)的新加坡南洋理工大學(xué)課題組與美國哈佛大學(xué)Capasso教授課題組合作，在國際頂級(jí)刊物Science(科學(xué))上發(fā)表了題目為“可重構(gòu)偏振調(diào)控型表面等離激元定向耦合”的文章，解決了SPPs在芯片上傳輸過程中的“交通控制”問題。

文章提出了一種全新的SPPs耦合方式，通過一系列亞波長“人”字型微納金屬結(jié)構(gòu)，解決了目前入射光偏振態(tài)嚴(yán)重影響SPPs耦合效率以及SPP傳播方向無法精確控制等技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了SPPs的可重構(gòu)定向耦合新機(jī)制，該研究成果對(duì)微納光子芯片水平的SPPs產(chǎn)生、傳輸、調(diào)控、互聯(lián)與探測(cè)等應(yīng)用有重大積極推進(jìn)作用，為未來發(fā)展SPPs大規(guī)模光電子集成與互聯(lián)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

袁小聰教授談到，信息時(shí)代的計(jì)算機(jī)按照“摩爾定律”飛速發(fā)展，但是近年來該定律越來越受到納米尺寸極限的挑戰(zhàn)，而且隨著集成電路中線路密度的增加，其復(fù)雜性和差錯(cuò)率也將呈指數(shù)增長，同時(shí)能耗、散熱也越大，因此人們熱切尋求集成電路的替代方案。集成光子回路將會(huì)用“光子芯片”取代傳統(tǒng)的“電子芯片”，具有傳輸速度快、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過廣大研究人員的努力，現(xiàn)今集成光子技術(shù)已初步取得一些結(jié)果，并應(yīng)用于光通信、光網(wǎng)絡(luò)等，未來的“光子芯片”將成為構(gòu)成整個(gè)“光互聯(lián)世界”王冠上一顆璀璨的明珠，真正實(shí)現(xiàn)高處理速度、高存儲(chǔ)密度、高集成度、低能耗的新一代信息技術(shù)。

荷法科學(xué)家研發(fā)新型光開關(guān) 速率提高350倍

當(dāng)前，普通電子開關(guān)的工作頻率為4 GHz，荷蘭特溫特大學(xué)和法國納米科學(xué)與低溫工程研究所的科學(xué)家開發(fā)出了一種半導(dǎo)體平面微腔開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了1.4 THz的重復(fù)率開啟和關(guān)閉操作，速率提高了350倍，相關(guān)成果發(fā)表在Opt. Lett. 38, 374。

研究人員在砷化鎵和砷化鋁層中構(gòu)造了空腔，并使用1284.1 nm的探測(cè)光測(cè)量其諧振頻率。

實(shí)驗(yàn)中，研究小組使用兩個(gè)由近紅外鈦寶石激光抽運(yùn)的光參量放大器，將探測(cè)光束和觸發(fā)光束射入微腔中。觸發(fā)光束產(chǎn)生電克爾效應(yīng)，在亞皮秒時(shí)間尺度上，改變了空腔材料的折射率。研究人員將觸發(fā)光束的波長延長到2400 nm，以減少空腔內(nèi)的雙光子吸收。據(jù)估計(jì)，空腔只吸收了百萬分之一的入射光。

據(jù)作者所言，空腔存儲(chǔ)時(shí)間大約為300 fs，決定了開關(guān)速率的基本“速率限制”，這種現(xiàn)象不依賴于微腔的幾何結(jié)構(gòu)。

除了超快片上光子調(diào)制，這種新型開關(guān)可能會(huì)應(yīng)用于空腔量子電動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)研究，并且，有可能大大提高未來通信系統(tǒng)甚至量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速率。

美科學(xué)家突破光通信中的標(biāo)準(zhǔn)量子極限

由于固有噪聲的存在，人們很難或者完全不可能從微弱信號(hào)(例如，光網(wǎng)絡(luò)中的微弱信號(hào))中提取有意義的信息?，F(xiàn)在，美國聯(lián)合量子研究所(JQI)的科學(xué)家們發(fā)明了一種新方法，可將量子系統(tǒng)的誤碼率降低到標(biāo)準(zhǔn)量子極限以下，從而實(shí)現(xiàn)更高效的通信。

JQI博士后研究員Francisco Elohim Becerra指出，一臺(tái)理想的、效率為100%的接收器可以識(shí)別那些低于標(biāo)準(zhǔn)量子極限(一個(gè)特定的最低限度的誤差率)的非正交相干態(tài)。通過在光的多個(gè)相位中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，科學(xué)家們能夠?qū)⒏嗟男畔⒕幋a成一個(gè)信號(hào)，但是，態(tài)或者相位的數(shù)目越多，接收器越難于識(shí)別，特別是對(duì)低強(qiáng)度信號(hào)而言。

為了“突破”標(biāo)準(zhǔn)量子極限，JQI研究小組設(shè)計(jì)了一個(gè)自適應(yīng)反饋系統(tǒng)，對(duì)輸入信號(hào)的相位進(jìn)行多次測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)裝置包含：波長為633 nm的脈沖He-Ne激光器，用于提供輸入信號(hào);波長為780 nm的連續(xù)激光器，用于提供參考信號(hào);配有分束器的馬赫曾特干涉儀;單模光纖;單光子探測(cè)器以及現(xiàn)場可編程門陣列。實(shí)驗(yàn)中，研究人員測(cè)量了正交移相鍵控的格式中區(qū)分4個(gè)態(tài)時(shí)出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)誤碼率。對(duì)于理想接收器而言，誤碼率為6 dB，低于標(biāo)準(zhǔn)量子極限;而對(duì)于效率為72%的實(shí)際探測(cè)器來說，誤碼率為13 dB，同樣也低于量子極限。

Becerra說，該技術(shù)在應(yīng)用于通信網(wǎng)絡(luò)之前，還有很多工作需要去做。他和同事們將研究如何在4個(gè)以上的態(tài)中實(shí)現(xiàn)該技術(shù)，以及如何實(shí)現(xiàn)該技術(shù)與其他數(shù)據(jù)運(yùn)載方案(如，正交幅度調(diào)制的整合。

提高”時(shí)間斗篷“數(shù)據(jù)隱形時(shí)長 讓光纖通訊更安全

美國研究人員表示，他們已經(jīng)研制出一種制造光纖通訊中的”時(shí)間斗篷“的方法，其可以防止偷聽，因此有望改進(jìn)光纖通訊的安全性，也可用于軍事、國土安全或者執(zhí)法等領(lǐng)域。

早在2012年就有其他科學(xué)家發(fā)明了這種”時(shí)間斗篷“，但其隱藏的時(shí)間僅為光纖通訊中用于發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間的千萬分之一?，F(xiàn)在，普渡大學(xué)的研究人員將其提高到千萬分之四十六，使其有望用于商業(yè)領(lǐng)域。另外，在以前的”時(shí)間斗篷“研究中，科學(xué)家們需要用到復(fù)雜的、能超快速發(fā)射脈沖的”飛秒“激光器，但最新研究只需要用到商業(yè)光纖通訊中常用的調(diào)相器。

在最新研究中，研究人員通過操控光脈沖的相位實(shí)現(xiàn)了”時(shí)間斗篷“。他們解釋道，如果一種正在上升的光波與其他正在下降的光波相遇，它們會(huì)相互抵消，使得光強(qiáng)為零。光波的相位決定了這些波之間的干涉程度。

該研究的領(lǐng)導(dǎo)者、普渡大學(xué)的研究生約瑟夫-盧肯斯說：“通過讓這些光波相互干涉，我們可以讓它們等于1或者0，位于信號(hào)為零的地方的任何數(shù)據(jù)都會(huì)被'隱形'。控制光波的相位使我們可以用傳輸信號(hào)0和1來通過光纖發(fā)送數(shù)據(jù)。”研究中用到的關(guān)鍵零件——調(diào)相器一般被用來在光纖通訊中修改信號(hào)?？茖W(xué)家們首先使用兩個(gè)調(diào)相器制造出了一些洞，再用另外兩個(gè)調(diào)相器來掩蓋這些洞，如此一來，信號(hào)看起來似乎沒有經(jīng)過任何處理。

盧肯斯強(qiáng)調(diào)說，他們可以對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，以增加其操作帶寬并提高隱形時(shí)長。這種效應(yīng)之所以被命名為“時(shí)間斗篷”，是因?yàn)樗鼤?huì)讓被傳送的數(shù)據(jù)不時(shí)“隱形”，其與科學(xué)家們最近利用“超材料”實(shí)現(xiàn)的隱藏實(shí)際物體的空間“隱形斗篷”技術(shù)并不一樣。在這項(xiàng)研究應(yīng)用于實(shí)踐之前，還需要進(jìn)行很多研究工作，但這項(xiàng)技術(shù)確實(shí)可以很好地同現(xiàn)有的電信基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)合。

科學(xué)家研發(fā)出可見光能無限穿透超材料

荷蘭原子與分子物理研究所物質(zhì)基礎(chǔ)研究所和美國賓夕法尼亞大學(xué)科學(xué)家合作，制造出一種由堆積銀和氮化硅納米層構(gòu)成的新材料，能賦予可見光近乎無限的波長。該材料有望在新型光學(xué)元件、光線路等領(lǐng)域大顯身手，也可用于設(shè)計(jì)更高效的發(fā)光二極管。

光的相位速度和波群速度控制著光在一種介質(zhì)中的傳播。相位速度決定了波峰和波谷在該介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)，波群速度則描述了能量的傳播。根據(jù)愛因斯坦的理論，光能的傳播永遠(yuǎn)不會(huì)快于光速，因此相位速度雖沒有物理限制，但波群速度是有限的。當(dāng)相位速度變?yōu)榱銜r(shí)，波峰和波谷的運(yùn)動(dòng)消失，此時(shí)其波長看作是接近無窮大的一個(gè)極大值。然而在自然界并不存在這種性質(zhì)的材料。

研究人員解釋說，光在介質(zhì)中傳播的方式取決于介質(zhì)材料的介電常數(shù)，即它對(duì)光波電場的阻抗。近零材料(ENZ，介電常數(shù)接近零的材料)具有獨(dú)特的性質(zhì)，光在其中傳播時(shí)，幾乎沒有相位超前。雖然目前已有微波和遠(yuǎn)紅外波譜的人造材料，但可見光范圍的塊狀三維ENZ材料還很難得到。

為制造這種材料，研究小組用精密排列的堆積銀和氮化硅納米薄層，使通過其中的光能“感覺”到這兩種材料的光學(xué)性質(zhì)。他們利用聚焦離子束銑削技術(shù)對(duì)材料結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了納米尺度的控制。因?yàn)殂y的介電常數(shù)可以忽略，而氮化硅的介電常數(shù)為正，二者結(jié)合介電常數(shù)在實(shí)際效果上就等于零，對(duì)光而言所受阻抗看起來也是零，能以無限的相位速度傳播，光的波長也近乎無限。

經(jīng)專門建造的干涉儀顯示，光在這種材料中傳播時(shí)，相對(duì)于幾乎無限的波長而言，其相位確實(shí)沒有明顯變化。通過改變材料的幾何形狀，還可調(diào)整適用于整個(gè)可見光譜的范圍。研究人員指出，這種新材料有望在新型微波/納米光學(xué)元件領(lǐng)域大顯身手，如透射增強(qiáng)、波陣面造型、控制自發(fā)射和超輻射等方面。